充气式橡胶坝在水电行业的应用

2018-03-25周荣,孙言

水利水电快报 2018年4期

70 a前充气式橡胶坝的概念由法国工程师提出。20世纪50年代中期，美国工程师在洛杉矶设计并安装了第一座充气式橡胶坝。20世纪60年代，美国完成了一系列大型橡胶坝工程，并将技术授权给日本住友电气(Sumitomo Electric)公司，该技术得以在世界范围内广泛应用。在接下来30 a时间内，日本成为世界上最大的橡胶坝制造商。目前全球共有约6 000座橡胶坝，其中日本约占2/3，橡胶坝的应用范围涵盖了灌溉、供水、蓄水、防洪、栖息地恢复及发电等领域。

橡胶坝是由橡胶涂层织物组成的永久性结构，这种织物通过压板和地脚螺栓固定在钢筋混凝土基座上。橡胶体通过充气(水)膨胀达到设计高度和压力，通过排气(水)使橡胶体坍落。通常橡胶坝设计为全自动化控制，但也可设计为人工手动操作，由于具有土建工程量较小、易安装、低投资、操作简单等优点，通常被用于各类泄洪建筑物的改造项目中。在水电行业，橡胶坝通常被用作径流式水力发电项目的引水堰，与自动闸板系统作用相同，可为电站增加额外的发电水头，或用作冲沙等其他方面。

1 橡胶坝的类型

橡胶坝可以分为充气式和充水式两类。充气式橡胶坝横断面较小，需要的橡胶体也较小，因此最具成本效益。充气式橡胶坝重量较轻，能够更好地应对寒冷气候，在寒冷地区不受冰冻气温的影响。

充气式橡胶坝的另一优点是调节(充、放气)速度快，在相同尺寸下，通常比充水式橡胶坝的调节速度快很多。其缺点之一是在高水头漫坝(水头超过坝体高度的20%时)时，可能会出现不稳定现象，导致坝袋振动，坝袋排气坍落时，会出现水流集中，导致V型切口现象。

相反，由于充水式橡胶坝坝袋内部水体的重量使其更为稳固，因此充水式橡胶坝能够经受较高的漫坝水头(最高可达坝体高度的50%)。在某些特定情况下，可通过逐步排水，使坝袋坍落，以此控制上游水位。

由于充水式橡胶坝的底板较宽，因此可能不太适合安装在现有的结构上，尤其是反弧形泄洪道，但就调节性能和其他特点而言，充水式橡胶坝具有一定优势。

2 充气式橡胶坝的应用

橡胶坝具有较高的成本效益，可以替代水工钢闸门，是世界各地小型径流式水电站前池的较好选择。

在美国和加拿大，橡胶坝也经常被用来升级或替代木质闸板系统。该坝可以通过排气坍落使大流量水流通过泄洪道，当水流恢复正常时，充气膨胀挡水，为电站增加发电水头。因此，与传统的闸板系统相比，橡胶坝可以在较长时间内优化电力生产和发电收入。

橡胶坝具有灵活调节能力，电站运行人员较好地执行环保部门频繁变化的下泄流量指令。

与旧的木质闸板系统相比，全自动充气式橡胶坝大大提高了大坝运行人员的安全性。按下按钮，坝顶高程就可以提高1～2 m，而在以前，大坝运行人员不得不手动竖起闸板，工作环境较危险。

橡胶坝同样适合于前池蓄水，可以为电力生产商提供简单高效的方式增加前池容量，调节电力生产，满足电力需求的变化。

3 充气式橡胶坝的关键优势

正如前文所述，橡胶坝的主要特点是易于安装、维护要求低、应对恶劣天气能力强。

充气式橡胶坝系统结构简单，土建工程量较小，成为众多水力发电项目业主及开发商乐于接受的方案，许多新建水力发电项目选择橡胶坝方案，在现有建筑物的升级改造中，橡胶坝方案同样占比较大。充气式橡胶坝用于升级改造现有建筑物时，首先需要改造泄洪道以适应橡胶坝坝袋排气坍落，需要制定适合橡胶坝锚固系统及管路系统的规程。液压钢闸门跨度有限，且需要仔细平衡、准确操作，橡胶坝可以在其总长度范围内均匀承受水压力荷载。因此，橡胶坝的跨度可以很大(最长的单体橡胶坝跨度为190 m)，而且可在工厂制作成曲线形状，便于安装在现有的泄洪道上。考虑到安装、运行及运输等条件，橡胶坝的跨度以50 m左右为宜。大跨度橡胶坝重量较重，需要更大的起重机械来吊装。这些因素不得不考虑，主要因其与运输、安装成本直接相关。就调节上游水位而言，选择多个短跨度橡胶坝方案还有额外的优势。

充气式橡胶坝可以较好地适应寒冷气候，加拿大和美国东北部地区有许多充气式橡胶坝，有记录表明，这些地方的橡胶坝已经抵御了100 a一遇的洪水而未受到任何损坏。

不管是充气式还是充水式，橡胶坝的密闭性能优异(渗漏量最小)、操作环境干净、几乎免维护，可以减少投资及运行成本。此外，区别于液压钢闸门，橡胶坝不需要使用润滑油，不存在向河里排放有害物质的风险，因此业主也没有被重罚的风险。

由于橡胶材料抗腐蚀性较好，橡胶坝不仅可以建在淡水环境中，也可建在咸水环境中。在潮汐位置，可以将橡胶坝横断面设计成对称形状(半圆形)以承受来自上、下游的水荷载。橡胶坝的锚固组件通常采用球墨铸铁制成，并进行热镀锌，在咸水环境中则使用不锈钢材料。锚件的设计寿命通常为50 a，甚至更长。

此外，橡胶坝外观低调，尤其是少量水流漫坝，坝体浸入水流中时，坝体与周围环境融为一体。因此，城市河道中建设了许多橡胶坝用于休闲娱乐、水力发电及城市改造等。

4 橡胶坝的设计局限性及影响因素

世界上最高的橡胶坝位于荷兰，坝袋完全充气膨胀时，坝体高度可达 8.35 m，该橡胶坝被用作挡潮闸，2001年建成。挡潮闸由3跨组成，每跨长度为80 m，这种设计是独一无二的。通常，橡胶坝的坝高最高仅约 6.5 m，且尺寸受限于材料性能(主要是抗拉强度)、生产设备的尺寸、容量(高压釜、平板硫化机等)以及大型橡胶布的处理、运输、安装能力。

在一些典型工程案例中，橡胶布重达几吨，需要大型设备起吊并安装至混凝土基座上，设计阶段就需要考虑上述因素，因此有时就会选择多跨而非单跨方案。同样，橡胶坝坝体的圆周长也会对运输方式产生影响，如果橡胶布可以装入标准尺寸容器中，将能大大减少运输成本。大面积橡胶布需要利用特殊支架进行生产制造，也增加了成本。此外，在设计阶段也需要充分考虑橡胶片的装卸及展开等因素。

5 加拿大近期建设的橡胶坝项目

最近，戴尔欧福(Dyrhoff)公司为加拿大提供了7座橡胶坝材料，其中4座由阿尔冈金(Algonquin)电力公司安装在魁北克省唐纳科纳(Donnacona)水力发电厂中，而位于该省米斯塔西尼(Mistassini)河上的德拉勒姆(de la leme)陡槽橡胶坝工程已于2017年年初完成。与此同时，安大略省附近叶罗福尔斯(Yellow Falls)水电项目的两座橡胶坝安装工程也已在2017年完工。

5.1 魁北克唐纳科纳项目

该项目位于雅克·卡地亚(Jacques Cartier)河上，与魁北克省唐纳科纳镇及盖桑特(Cap Sante)相距不远。唐纳科纳橡胶坝在原址取代了旧的木质闸板坝，该木质闸板坝始建于1918年，2014年5月遭到严重损坏后改建为橡胶坝。由于原坝址水流控制设施中，橡胶坝是最具成本效益的替代方案，经过慎重考虑，该坝的业主阿尔冈金电力公司与其顾问WSP决定，在该坝原址安装充气式橡胶坝。

新唐纳科纳橡胶坝由4跨组成，每跨高1.95 m，单个跨度为23 m。新建的充气式橡胶坝位于水力发电厂附近，可以提升唐纳科纳坝的水位管理能力。当上游水位处于正常水位时，橡胶坝将完全充气运行，一旦前池水位达到预先设定上游水位，坝袋就开始排气坍落，以下泄洪水，避免上游淹没。另外，还可通过按顺序排气坍落一跨或多跨橡胶坝体，以下泄暴雨带来的大量径流，解除洪水威胁，直到上游水库水位下降到安全水位。为应对上游过高的水位，该坝可供频繁操作，平均每跨橡胶坝的年排气坍落次数为5～10次。该充气式橡胶坝的设计坍坝时间小于45min。土建承包商波默洛(Pomerleau)完成土建施工后，在戴尔欧福公司的指导下， 20 d内就完成了橡胶坝的安装工作。2016年11月开始进行初始调试，2017年年初正式投运，之后不久装机容量为 4.8 MW的径流式水电站恢复电力生产。

5.2 米斯塔西尼河项目

米斯塔西尼河项目由莱克圣简(Lac St-Jean)能源公司委托其合作伙伴米斯塔西尼河水电公司负责开发。该项目已经启动了装机容量为18.3 MW的小型水力发电厂的运行，可以满足3 000个家庭的用电需求。新建的充气式橡胶高2.7 m，跨度为30 m，采用双线锚固系统，以增加坝体稳定性。在管理米斯塔西尼河最小流量需求时，该橡胶坝可以为泄洪道及水电站调节上游水位。当需要控制上游水位，坝袋通常完全充气膨胀，当需要加大下泄流量时，坝袋会排气坍落，下泄洪水。在该项目中选择橡胶坝方案的技术原因之一就是其运行水位可以根据米斯塔西尼河来水量的变化进行调节。整个橡胶坝的安装工程用时12 d，2017年年初已完工。

5.3 安大略省叶罗福尔斯项目

加拿大安大略省叶罗福尔斯水电项目位于米斯塔西尼河上，斯穆斯罗克福尔斯(Smooth Rock Falls)以南的地区。该水电站依靠这两座橡胶坝控制水流，其中一座橡胶坝高 4.2 m，跨度为45 m，另一座橡胶坝高 4.2 m，跨度为25 m，在戴尔欧福公司的监督下以及合作伙伴的主导下，承包商尼尔逊(Neilson)2017年第四季度完成了这两座橡胶坝的施工。